Взаимодействие моноэнергетических релятивистских электронных пучков и ионных пучков большой энергии с плазмой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Н

Харьковский государстве! — университет

На, правах рукописи

КИСЕЛЁВ Валентин Анисимович

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МОНОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕЛЯТИВИСТСКИХ ЭЛЕКТРОННЫХ ПУЧКОВ И ИОННЫХ ПУЧКОВ БОЛЬШОЙ ЭНЕРГИИ С ПЛАЗМОЙ

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Харьков - 1992

Работа выполнена б Украинском научном центре " Харьковский физико-технический институт "

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор СОЛОШЕНКО Игорь Александрович (Институт физики г.Киев)

доктор физико-математических наук, профессор КОНДРАТЕНКО Анатолий Николаевич (Харьковский государственный университет)

доктор физико-математических наук, профессор ХАРЧЕНКО Игорь Федорович (Харьковский физико-технический институт)

Ведущая организация: Радиоастрономический институт АН 4

Украины, г.Харьков

защита состоится 28 января 1993 г. в 15 часов на заседания Специализированного совета Д 053.06.01 в Харьковском государственном университете по адресу: 310108 г.Харьков-108,пр.Курчатова 31, ауд. 301.

С диссертацией можно ознакомиться в центральной научной библиотеке Харьковскго государственного университета

Автореферат разослан декабря 1992 г.

Учёный секретарь специализированного совета ¿1Мшш, В-И-Лшпаин

доктор физико-математических наук

1

. I

г',: * ' 'I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Экспериментальные исследования коллективных взаимодействий моноэнергетических с малой угловой расходимостью релятивистских электронных пучков (РЭП) и ионных пучков большой энергии с плазмой представляют большой научный и прикладной интерес для процессов нагрева плазмы в открытых ловушках при решении проблемы управляемого термоядерного синтеза (УТС), при'решении задач по генерации электромагнитных излучений в коротковолновом (миллиметровом и субмиллиметровом) диапазоне длин волн, а также для возбуждения больших ускоряющих электрических полей модулированными РЭП и волнами плотности заряда в плазме при разработке новых методов ускорения заряженных частиц.

Значение этих работ определяется экспериментальными исследованиями эффективности взаимодействия модулированных РЭП с диссипативной и неоднородной по плотности плазмой, результаты которых могут быть использованы для целей неравновесной плазмохимии и в области физики радиационных повреждений в условиях вывода таких пучков в объемы с нейтральным газом при больших давлениях.

Поэтому данная работа, посвященная исследованиям эффективности взаимодействия модулированных РЭП и ионных пучков большой энергии с плазмой3^, а также моноэнергегических с малой углевой расходимостью РЭП с плотной' плазмой и сопровождающие такие взаимодействия физические процессы, является актуальной.

Цели и задачи исследований. Диссертация посвящена экспериментально^ исследованию физических процессов, возникающих при:

I. Коллективном взаимодействии модулированных моноэнергетических с малой угловой расходимостью РЭП с заранее приготовленной плазмой в условиях резонанса частоты модуляции пучка и плазменной частоты ( ), когда обеспечивается высокая

степень когерентности излучения частиц пучка как в пределах

х•'эффективность взаимодействия пучков заряженных частиц с плазмой определяется относительной величиной энергии пучка, которая расходуется на возбуждение колебаний в гшазме и ее нагрев.

сгустка, так и между ними. 2. Коллективном взаимодействии моноэнергетических с малой угловой расходимостью РЭП с плотной плазмой в условиях развития гидродинамической стадии пучково-плазменной неустойчивости, включающих в себя зависимость эффективности такого взаимодействия от плотности плазмы и степени релятивизма пучка, возможность нагрева плотной плазмы моноэнергетическими РЭП, генерации электромагнитного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн и возбуждение интенсивных электрических полей, обеспечивающих возможность разработки новых методов ускорения заряженных частиц. 3. Исследовании прохождения ыоноэнергетических модулированных РЭП и ионных пучков больших энергий через нейтральные газы в широком диапазоне давлений, к которым относятся возможность создания плазмы такими пучками при отсутствии магнитного поля, взаимодействие их с образованной плазмой в условиях большой частоты столкновений и продольной неоднородности плотности плазмы, возможность использования создаваемых в этих условиях пучково-плазменных разрядов (ППР) для целей неравновесной плазмохимии и использование полученных результатов в области физики радиационных повреждений.

Основные положения, выдвигаемые к защите, которые определяют научную новизну полученных результатов.

1. Впервые было показано, что эффективность взаимодействия релятивистских электронных пучков с плазмой увеличивается при использовании ыоноэнергетических с малой угловой расходимостью РЭП.

2. Впервые были обнаружены эффекты когерентных потерь энергии модулированным моноэнергетическим РЭП и возбуждение им коллективных колебаний в плазме. При этом относительные потери энергии на коллективные взаимодействия РЭП с относительно небольшим током I А) благодаря модуляции и эффекту когерентности становятся сравнимыми с потерями энергии сильноточных немодулированных РЭП.

3. Использование модулированных РЭП дает возможность возбуждать колебания с узким частотным спектром в плазменных волноводах большой длины 2 м). При этом возбуждаемые электрические поля сосредоточены в основном внутри плазменного волновода.

4. Впервые экспериментально показано, что эффективность коллективных взаимодействий моноэнергетических с малой угловой расходимостью РЭП при увеличении плотности плазмы не только не уменьшается, но и увеличивается при увеличении степени моноэнергетичности пучка.

5. Такие взаимодействия, приводящие к сильному уменьшению длины релаксации пучка в плазме, сопровождаются возбуждением волн миллиметрового диапазона и возникновением локализованно-. го рентгеновского излучения. Наблюдаемая временная и пространственная корреляция зон уменьшения плотности плазмы, локализованного рентгеновского и СВЧ излучений свидетельствуют о наличии локализованной области сильных высокочастотных полей,

в которых электроны пучка и плазмы приобретают энергию.

6. Впервые показано, что с ростом релятивистского фактора V (при увеличении энергии электронного пучка от 2 МэВ до

20 МэВ) эффективность коллективных взаимодействий моноэнергетического РЭП с плотной плазмой не уменьшается. Об этом свидетельствуют аномально большие потери энергии пучком, нагрев плазмы и ускорение части электронов пучка и плазмы в возбуждаемых электрических СВЧ-полях.

7. С помощью численного моделирования и экспериментального исследования показано, что использование РЭП с большой глубиной модуляции по плотности приводит к существенному ослаблению влияния диссипации и продольной неоднородности плотности плазмы на процессы их взаимодействия.

8. При прохождении моноэнергетических модулированных РЭП с относительно небольшим током (я,1 А) через нейтральные газы большого давления образуется плазма, с которой пучок эффективно взаимодействует. Об этом свидетельствует плотность образованной плазмы, на три порядка превосходящей плотность пучка, СВЧ и рентгеновское излучение, локализованные в области взаимодействия, а также обнаруженное в эксперименте увеличение полного тока ( 1а = * ]р , где 1| - ток пучка, ]Р плазменный ток) при прохождении пучка через область взаимодействия.

У. Показана возможность использования модулированных моноэнергетических РЭП с относительно небольшим!, токами для целей

неравновесной плазмохиыии в условиях больших плотностей используемого исходного газообразного вещества.

10. Обнаружен новый механизм токовой нейтрализации протонных сгустков при прохождении модулированного протонного пучка большой энергии ( V/ = 5 МэВ) через нейтральный газ различной плотности, который обусловлен возникновением обратного плазменного тока при изменении азимутального магнитного поля на фронтах сгустков. При давлении выше критического (для условий эксперимента Р*р-6.10"^ торр) возбуждается пучково-^ плазменная неустойчивость, которая приводит к развитию пучко-во-ллазмеиного разряда и уменьшению (в условиях большой частоты столкновений) степени токовой нейтрализации протонного, пучка.

Эти основные положения, которые определяют научную новизну результатов, полученных в диссертации, составляют новое перспективное направление в плазменной электронике - взаимодействие моноэнергетических с малой угловой расходимостью модулированных и немодулированных РЭП и ионных пучков большой энергии с плазмой и нейтральным газом в широком диапазоне плотностей.

Научная и практическая ценность. Несмотря на то, что теория давно предсказывала возможность коллективного взаимодействия РЭП с плазмой, к началу проведения наших работ в 1969 году не было экспериментов, подтверждающих теоретические выводы. Более того, в экспериментах Менделла и Нолта (/• йррЧ. Ркуз. , 5416, 1967) такого взаимодействия обнаружено не было. В настоящей диссертации описаны эксперименты, в которых впервые было обнаружено коллективное взаимодействие модулированного РЭП с относительно небольшим током с плазмой, ленгмюровская частота которой совпадала с частотой модуляции пучка. Кроме того, впервые было показано, что эффективность взаимодействия РЭП с плотной плазмой увеличивается, если использовать пучки с высокой степенью моноэнергетичности и малой угловой расходимостью электронов пучка.

Большое прикладное значение имеют исследования по взаимодействию модулированных РЭП и ионных пучков большой энергии с

плазмой, образованной ими при прохождении через нейтральный газ, так как показано существенное ослабление влияния диссипации и продольной неоднородности плотности плазмы на эффективность взаимодействия в случае глубокой модуляции пучка по плотности.

Результаты описанных в диссертации экспериментов и выводы получили подтверждение в раде экспериментов, выполненных позднее как в СССР,-так и за рубежом. В частности, результаты экспериментов по взаимодействию модулированного пучка с плазмой в условиях Сдм~®р были повторены в работе РЛу/.

2^3, /973 ? а. результаты по взаимодействию моноэнергети-. ческих РЭП с плотной плазмой - в работах И® СО АН СССР ( Ръос. о/ 1п1пп. Соп.{. сп, РСмта л/ароув.,1орип., <9го.

Проведенные нами работы по исследованию взаимодействия моноэнергетических РЭП с плотной плазмой были отмечены в числе важнейших достижений по физике плазмы в 1974, 1375 и 1978 годах Научным Советом при Президиуме АН СССР по проблеме "Шизика плазмы".

Результаты описанных в диссертации экспериментов могут быть использованы при создании установок для нагрева плазмы релятивистскими пучками в открытых ловушках, при создании генераторов электро-магнитного излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне, а также при создании неравновесных плазмохимических реакторов в условиях большого давления используемых исходных газообразных веществ.

Апробация результатов работ. Все основные результаты диссертации опубликованы в печати и докладывались на Международной конференции по физике плазмы (Висконсин, США, 1971 г.), Международных конференциях по мощным электронным и ионным пучкам (Новосибирск, СССР, 1973, 1979, 1У90 гг.), на Международных симпозиумах по коллективным методам ускорения заряженных частиц (Дубна, СССР, 1972, 1976, 1978 гг.), на Международном рабочем совещании по новым схемам ускорения (Дубна, СССР, 1990 г.), на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 1973. 1974, 1976, 1978, 1980, 1989 гг.), на Всесоюзных семинарах по мощным электронным и ионным пучкам (Новосибирск, 1985, 198? гг.), на

Всесоюных семинарах по плазменной электронике (Харьков, 1983, 198? гг., Томск, 1985 г.), на Втором Всесоюзном совещании по новым методам ускорения заряженных частиц (Нор-Амберд, Армения, 1989 г.).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав основного текста и заключения - всего -2/V? страниц машинописного текста, в том числе ¿6 рисунков и таблиц. Библиография включает 150 наименований.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении содержится краткий обзор литературы по взаимодействию релятивистских электронных и ионных пучков с плазмой, обоснована актуальность теш диссертационной работы, кратко изложено содержание диссертации, а также сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Неустойчивость, возникающая при взаимодействии потоков заряженных частиц с плазмой, теоретически была предсказана еще в 1948 году А.И.Ахиезером и Я.Б.Файнбергоы (отчет ЖГИ АН УССР, 1948, ДАН СССР, 69 , 555, 1949), а также П.Д.Бомоы и Е.П.Гроссом ( Phgs. def. , 75, 1851, 1949). Позднее такая н^стсйчивость была обнаружена экспериментально Я.Б.Файнбергом, И.Ф.Харченко и Е.А.Корниловым (КЭТФ, 38, 685, I960). В дальнейшем, наряду с другими особенностями пучково-плазыеиного взаимодействия, большой интерес для теоретического и экспериментального исследования представили влияние на процесс взаимодействия двух факторов: релятивизма пучка и плотности плазмы. Это было связано с тем, что взаимодействие мощных релятивистских пучков с плазмой большой плотности предполагалось использовать при нагреве плазмы в открытых ловушках, а также для генерации электро-магнитно-го излучения в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн и разработках новых методов ускорителя заряженных частиц.

Из линейной теории взаимодействия РЭП с плазмой, развитой К.Ватсоном, С.Блудманом и М.Розенблютом ( Phys. F6uicts, 8, 741, I960), а также Е.Е.Ловецким и А.А.Рухадзе (ЮТФ, 48, 514, 1965), следует, что благодаря релятивистскому возрастанию маемы электронов пучка инкременты возбуждаемых колебаний сильно уменьшаются. Из этого справедливого утверждения было бы непра-

вильно делать заключение о понижении эффективности пучково-плазменного взаимодействия при релятивистских энергиях электронного пучка. Как показывает нелинейная теория (Файнберг Я.Б., Шапиро В.Д., Шевченко В.И., ШЭТФ, 57, 966, 1969), пучок остается моноэнергетическим и при значительном разбросе электронов пучка по скоростям, обусловленным обратным влиянием .возбуждаемых колебаний на пучок, учитываемых, естественно, только нелинейной теорией.

Благодаря резонансному характеру взаимодействия моноэнергетического пучка с плазмой, затягивается гидродинамическая стадия этого взаимодействия, что должно приводить к сильному возрастанию части энергии, передаваемой от пучка к плазме. Таким образом, теория показывала, что эффективность взаимодействия, определяемая как относительная величина энергии, передаваемая от пучка к плайме, не только не должна уменьшаться, но и возрастать при релятивистских энергиях пучка.

В связи с вышеизложенным, в наших экспериментах по исследованию эффективности взаимодействия РЭП с плазмой использовались пучки с относительно небольшими токами ( ^ I А), но с большой энергией ( и/ = 2^20 МэВ), с большой длительностью импульса ( Г = 2*10 мкс), с узкой функцией распределения электронов пучка по энергиям и с малым угловым разбросом электронов пучка.

Кроме того, в наших экспериментах использовались пучки с большой глубиной модуляции по плотности. Последнее обстоятельство имеет существенное значение в том случае, когда становится возможным когерентное торможение РЭП в плазме, являющееся обратным эффектом когерентного ускорения В.И.Векслера. Действительно, эффективность возбуждения коллективных колебаний в плазме потоком заряженных частиц определяется интенсивностью излучения в элементарном эффекте, степенью когерентности элементарных излучателей и интенсивностью группировки этих излучателей полем возбуждаемых колебаний. Поэтому интенсивность коллективных взаимодействий в релятивистской области энергий можно повысить путем использования группировки пучка в сгустки внешними или коллективными полями, позволяющим обеспечить высокую степень когерентности спонтанного излучения частиц пуч-

ка (в пределах образованных сгустков и между ними). Так как используемые нами пучки представляют собой последовательность отдельных сгустков, то были проведены исследования взаимодействия модулированного РЭП с плазмой, ленгмюровская частота которой 00р в (ftp-e2///TfJ^ была близка к частоте модуляции пучка ( ь>р -v сЛм ).

В главе I рассмотрены некоторые теоретические соотношения взаимодействия моноэнергетических РЭП с плазмой, определяющих выбор условий экспериментальных исследований. При исследовании релаксации РЭП в плазме существенным является вопрос о виде функции распределения электронов пучка по энергиям и величине углового разброса электронов пучка. Относительно небольшие потери энергии сильноточными релятивистскими пучками в первых экспериментах по исследованию взаимодействия РЭП с плазмой объясняются тем, что они проводились с использованием пучков с большим разбросом электронов по энергиям и большой угловой расходимостью электронов. Но для развития гидродинамической стадии пучково-плазменной неустойчивости необходимо использовать пучки с небольшим разбросом по продольным скоростям, удовлетворяющих условию ^/(Ор (Иванов A.A., Параил В.В., Соболева Т.К., J3M, 63, 1678, 1972), где f -инкремент неустойчивости. В связи с этим пучки, обладающие тепловым и угловым разбросом, могут быть разделены на:

- гидродинамические (холодные) пучки, когда с (ША>)П'/г ' где Ai}"/C " ¥{iQ)i ( & - ширина

функции распределения электронов пучка по энергиям, йВ - угловой разброс, <? = (/- ^/ci)''^ - релятивистский фактор), а релаксация определяется инкрементом ¿¡>* ^faj^f(^/tipf3/¿> i

- кинетические (теплые) пучки, когда а /ну* » а

, характерным инкрементом которых

является

- квазигидродинамические пучки, когда (¿9)*> , а л**/с » ¿fr .

В последнем случае пучок релаксирует как гидродинамический, если 6П/п(>Ъ,1Ь и ¿6 < , и как кинетический, если an/nt< 0,15 и ( h.Thocle, Phys. Fluids, 19,

1.0

305, 1976). Величина определяет часть пучка, попадающе-

го в конус углов.рассеивания 69*"& С^/ъ^Ур » которая может рассматриваться как моноэнергетическая.

Следует отметить, что инкремент кинетической неустойчи-, вости уменьшается при увеличении плотности плазмы (<& ~ Я/> ), а в случае моноэнергетических РЭП, условием которых является

Гидродинамический инкремент увеличивается с ростом плотности цлазмы

Если плотность плазмы невелика, то и инкремент возбуждав- • мых колебаний невелик. Однако использование РЭП с большой глубиной модуляции по плотности устраняет характерное для процессов индуцированного взаимодействия увеличение времени нарастания амплитуды поля с ростом энергии электронов пучка. Более того, ослабление обратного воздействия возбуждаемого поля на пучок, обусловленное релятивистским ростом массы электронов, обеспечивает в данном случае повышение максимальной амплитуды возбуждаемого поля.

Из теории черенков<жого излучения частицы, движущейся вдоль оси гиротропного плазменного волновода (Курилко В.И., Толстолужский А.П., Файнберг Я.В., ВАНТ. Сер. Шизика высоких энергий, I., 92, 1972) следует, что основной вклад в черенков-ское излучение в этом случае дают объемные волны. В данной главе приведены расчеты амплитуды и фазы волны, возбуждаемой при взаимодействии модулированного РЭП с плазмой в условиях резонанса 00м ~ /I/.

Другим достоинством модулированного пучка является его меньшая чувствительность к продольным неоднородностям плотности плазмы, поскольку такая неоднородность нарушает синхронизм между пучком и возбуждаемой волной. Предварительная модуляция пучка позволяет ослабить нежелательное влияние продольного градиента плотности плазмы.

Для смодулированного пучка условием срыва неустойчивости является выход из черенковского резонанса пучка с волной, ширина которого порядка пространственного инкремента гС /2/г

«(V ~ ** * & = (Ъ/Пр ■ (2)

где ^ - групповая скорость. Полагая, что неоднородность плазмы приводит к линейному изменению волнового вектора

к п) = + */&,), (3)

где At - характерный масштаб неоднородности, и учитывая, что это изменение должно произойти на расстояниях меньших тех, где амплитуда волны достигает максимального значения £

( Л = Л, = EmaK/£g>jjKm. ~ А/$С, , Л - кулоновский ло-

гарифм, £ флук - начальное значение амплитуды), находим оценку характерной длины неоднородности, еще не срывающей развитие неустойчивости:

л-«с

(4)

В случае предварительно проыодулированного пучка условие срыва пучково-плазменного взаимодействия сводится к требованию, чтобы фаза сгустка в волне изменилась на £ ;

J [KCU(5)

о

Для неоднородности вида (3) это приводит к характерному масштабу ^"^¿/¿у , где Лх -расстояние, на котором достигается максимум амплитуды возбуждаемой волны. Для модулированного пучка это расстояние примерно на порядок меньше по сравнению со случаем немодулироваккого пучка. Отношение характерных масштабов неоднородности плотности плазмы, при которых еще возможно пучково-гшазменное взаимодействие, для смодулированного и модулированного пучков d - -

Так как 2, - ~ , то а - ~ , и,

следовательно, для неоднородной плазмы предпочтительнее использовать модулированные пучки.

Исходя из вышесказанного, в наших экспериментах

по исследованию пучково-плазменного взаимодействия использовались модулированные релятивистские электронные пучки с узкой функцией распределения электронов пучка по энергиям и малым угловым разбросом.

В разделе 2.1 второй главы приводятся характеристики пучков, используемых в экспериментах по исследованию пучково-плазменного взаимодействия.

Для получения модулирвванных релятивистских пучков с узкой функцией распределения электронов по энергиям и малой угловой расходимостью использовались линейные ускорители электронов на основе диафрагмированного, разработанных и эксплуатируемых в ЖИ АН УССР (ускорители "Алмаз-Л" и ЛУ-40). Пучки электронов, получаемых на этих ускорителях, имели следующие параметры: энергия У/ = 2*20 МэВ, ток в импульсе и ~ I А, длительность импульса £ = 2*10 мкс, диаметр пучка сб* 0,8- 1,2 см. ширина функции распределения электронов пучка по . энергиям й = 8 %% частота модуляции пучка = 2805 Мгц. Пучок выходил из ускорителя в виде, б. Ю3 отдельных сгустков. Так как фазовый размер сгустка, определенный с помощью ВЧ-сепаратора (ЖГФ, 39, 1007, 1969) составлял не более 60°, то длина каждого сгустка /-2 см. Перестраивая частоту задающего генератора, питающего клистронную систему ускорителя, можно было менять ширину энергетического спектра электронов пучка в пределах от 8 % до 50 %. Величина углового разброса электронов пучка на выходе ускорителя могла регулироваться системами фокусировки и коррекции пучка и была в пределах

рад. Плотность электронного пучка на выходе ускорителя Ы - 5.10® см-3. у

Источником протонного пучка служил резонансный линешый ускоритель с ВЧ фокусировкой "Урал-5", разработка и создание которого в ХФТИ АН УССР осуществлялась под руководством А.М. Егорова. Энергия получаемых на таком ускорителе протонов IV = = 5 МэВ, ток в импульсе 16 - 30 тД , длительность импульса Т - 20 мкс, ширина энергетического спектра протонов = = 5 %, их угловой разброс <>9 = /0 рад. Каждый импульс тока представлял собой ЗЛО3 протонных сгустков длиной £ = = 20 см с частотой следования (модуляции) (Лц - 9.10® 1/с. Плотность протонов на оси пучка составляла см"3,

диаметр пучка сС = I см.

В разделах 2.2 и 2.3 описаны источники плазмы, используемые в экспериментах по взаимодействию РЭП с плазмой, а также диагностические методы исследования характеристик получаемой плазмы.

В качестве источника плазмы использовалась коаксиальная плазменная пушка. Для получения плазмы плотностью /2р а 10*®*-Ю13 см""3 использовалась пушка подобная описанной в работах /3-5/, но с полым внутренним электродом, через который элект-роныый пучок проходил в камеру взаимодействия. Соответственно, напуск газа в межэлектродное пространство источника плазмы производился через внешний электрод. Проведенные исследования показали, что режим работы пушки в этом случае практически не отличается от режима работы с напуском газа через внутренний электрод.

Используемый плазменный ускоритель имел следующие параметры: длина электродов - 40 сы, диаметр внешнего электрода -'70 мм, внутреннего - 30 мм, диаметр отверстия во внутреннем электроде - 20 мм, расстояние от места напуска газа до выходного торца источника - 20 см. Напряжение на электроды пушки подавалось от батареи конденсаторов емкостью 40 мкф, заряжаемой до напряжения 20 кВ, через вакуумный импульсный разрядник. Напуск газа в межэлектродное пространство осуществлялся с помощью быстродействующего импульсного электродинамического вакуумного клапана /6/.

Создаваемая пушкой плазма заполняла камеру взаимодействия плазмой плотностью до пр- Ю^3 смЭксперименты проводились на распадающейся плазме, плотность которой менялась во времени в пределах от Ю*3 см-3 до 10^ см"3. Плотность плазмы во времени и пространстве, а также продольный градиент плотности плазмы измерялись двойным двухканальным интерферометром /7/.

Плотная плазма, наблюдаемая для исследований пучково-плазманного взаимодействия, должна удовлетворять следующим требованиям:

а) плазма с высокой степенью ионизации и малым количеством примесей должна иметь время существования сравнимое или больше Iдлительности пучка заряженных частиц;

б) на всем цути пролета частиц пучка и в области взаимодействия должны отсутствовать рассеивающие механические препятствия и электромагнитные поля;

в) плотность и градиент плотности плазмы должны быть контролируемы.

Перечисленным требованиям достаточно полно отвечает плазма, получаемая с помощью коаксиального плазменного источника, работающего в режиме плазменного фокуса /8,9/. Параметры образованной таким источником плазмы определялись с помощью лазерного интерферометра на СОг с длиной волны 10,6 мкм /10/, а также по уширению и относительной интенсивности линий водорода Ир и ///» , обусловленных эффектом Штарка. Измерения показали, что плазма в диапазоне плотностей тц, = 10 !■ МО17 см"3 может существовать в течение времени 101-15 мкс при температуре электронов Те ^ 3*4 эВ. Диаметр плазмы 1-5 см, а длина 10*20 см в зависимости от плотности. Плотность, температура и наличие примесей в такой плазме зависят от времени задержки между моментом напуска газа в межэлектродный промежуток и подачей напряжения на электроды пушки.

В разделе 2.4 описаны диагностические методы исследования взаимодействия электронных и ионных пучков с плазмой различной плотности с использованием как стандартной аппаратуры, так и разработанной в процессе экспериментов. К ним относятся измерения тока с помощью цилиндров Фарадея различного типа, поясов Роговского и коллекторов, измерения энергетических спектров электронов и протонов с помощью магнитных анализаторов /II/, измерения СВЧ и рентгеновского излучения из плазмы в процессе взаимодействия. Кроме того, в качестве диагностической аппаратуры использовались диамагнитные зонды, калориметр для измерения полной энергии плазмы, лазерный интерферометр для измерения плотности плазмы и др.

В главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований коллективного взаимодействия модулированного релятивистского электронного пу ' "' " " "" ее

3.1 и 3.2 приводятся характеристики экспериментальной установки и представлены результаты экспериментальных исследований.

Установка "Алмаз-П", на которой проводились эксперименты, состояла из трех основных частей: линейного ускорителя электронов, коаксиальной плазменной пушки и камеры взаимодействия. Последняя представляла собой стеклянную трубу диаметром 10 см

приготовленной плазмой С

и длиной 2 м, помещенную в постоянное однородное продольное магнитное поле напряженностью до 2.103 гс с пробками на концах. Пробочное соотношение - 1,2 /1,12-14/.' Для определения величины потерь энергии пучка при взаимодействии измерялись энергетические спектры электронов пучка на входе и выходе камеры взаимодействия. Было обнаружено, что эти потери резонансным образом зависят от плотности плазмы. Максицум потерь наблюдался при плотности Пр - Ю"^ см"3, когда совпадали частота модуляции цучка и плазменная частота ( ~ ). При этом смещение максимума энергетического спектра электронного пучка в результате взаимодействия достигало 150-250 кэВ (точность измерения энергии электронов с помощью магнитных анализаторов - 2*3 %), что составляет около 10 % от начальной энергии пучка. Заметная часть электронов пучка (- 15 %) ускорялась примерно на 100 кэВ. При плотностях плазмы больших и меньших оптимального . значения потери энергии пучком существенно уменьшаются, а при пр а 5.10 см"3 и Пр- 10^ см"3 практически отсутствуют. Также существенно уменьшаются потери энергии при уменьшении величины тока пучка и при увеличении ширины функции распределения электронов пучка по энергиям до величины 50 %.

11-3

Для случая максимального взаимодействия ( Пр- Ю см ) с помощью "мгновенных" спектров (со временем разрешения = 0,15 мкс, малым по сравнению с длительностью импульса пучка ^ = 2 мкс) была построена зависимость максимума спектра энергий электронов пучка на выходе из плазмы от.времени. Было показано, что на начальной стадии взаимодействия потери энергии пучком в плазме растут со временем по закону, близком к линейному, и достигают максимума за время Ь - 0,5 мкс. За это время через плазму проходит около 1500 сгустков. В последующие моменты времени потери уменьшаются, а к концу импульса ( £ 1,3*1,5 мкс) появляются ускоренные электроны, энергия которых превышает начальную энергию электронов пучка.

Измеренный частотный спектр возбуждаемых в плазме колебаний соответствует рабочей частоте ускорителя, то есть частоте модуляции пучка, а полуширина спектра при наличии плазмы

( ¿/о - 10-12 Мгц) не более чем в полтора раза превышает полуширину спектра без плазмы С =8 Мгц). Максимум амплитуды возбуждаемого поля соответствовал плотности плазмы ftp - ICr-'- см-3, при которой наблюдалось наиболее эффективное взаимодействие пучка с плазмой. Измерения показали, что снаружи камеры взаимодействия амплитуда поля примерно в 10 раз меньше, чем внутри плазменного резонатора. Показано также, что при наличии плазмы амплитуда поля линейно нарастает со временем в течение^ * 1,2-1,4 мкс, более чем на два порядка превосходящего время пролета частиц пучка через область взаимодействия 6,5.10~Ус). После достижения максимума амплитуда поля быстро спадает, причем именно в этот момент в спектре энергий электронов пучка на выходе из плазмы появляются ускоренные частицы.

Измерения показали, что фазовая скорость возбуждаемой при таком взаимодействии волны совпадает со скоростью пучка с точностью ошибки измерений (10-15 %).

При увеличении ширины функции распределения электронов пучка по энергиям от 8 % до 50 % практически отсутствуют как потери энергии пучком, так и ускоренные частицы.

Одним из признаков пучково-плазменной неустойчивости является увеличение полного тока ( In =1( +1р , где Ig ток пучка, 1Р - плазменный ток), наблюдаемого при распространении РЭП через плазму. Результаты экспериментального исследования этого явления предстаьлены в разделе 3.3. При возникновении пучково-плазменной неустойчивости энергия, теряемая пучком на возбуждение колебаний 'J^fsp/^ >

где S (ne/fip)^3 > ft'^/c , может передаваться плазменным электронам, что приводит к росту тока в направлении движения пучка. Было обнаружено, что в нашем случае максимальное увеличение полного тока (с коэффициентом усиления -p/l£ ~ & ) наблюдается при плотности плазмы тг? - 5.10"^ см-^, то есть в условиях максимального взаимодействия модулированного РЭП с плазмой.

В разделе 3.4 проведено сравнение экспериментальных и теоретических результатов исследования взаимодействия модулированных РЭП с плазмой. Из этого сравнения следует, что в да-

иных экспериментах наблюдалось коллективное черенковское взаимодействие РЭП с плазмой. Совпадение фазовой скорости возбуждаемой волны со скоростью пучка свидетельствует о том, что взаимодействие обусловлено элементарным эффектом Вавилова-Че-ренкова. Относительно большая величина измеренных потерь энергии пучка подтверждает коллективный характер этого взаимодействия. Благодаря эффектам когерентности как для электронов отдельного сгустка, так и между сгустками, максимальное взаимодействие наблюдалось при плотности плазмы Пр - Ю^ см-3, когда сор . Наличие когерентности подтверждается фактами линейного роста со временем амплитуды электрического поля и потерь энергии пучка. Из совпадений момента начала появления ускоренных частиц и уменьшения амплитуды возбуждаемого поля следует, что в результате нарушения синхронизма между частицами пучка и возбуждаемой волной, электроны проходят через плазму в ускоряющей фазе и поглощаит при этом энергию, накопленную в плазме за счет когерентных черенковских потерь предыдущих сгустков.

О коллективном характере такого взаимодействия свидетельствуют зависимости эффективности взаимодействия от величины тока пучка, ширины функции распределения электронов пучка по энергиям, а также наличии плазменного тока, возникающего при прохождении пучка через плазму. Исследованию эффективности взаимодействия моноэнергетических РЭП в диапазоне энергий

= 2*20 МэВ с плотной плазмой ( - Х015«-1017 см"3) посвящена четвертая глава /15-25/.

Экспериментальная установка отличалась от ранее описанной тем, что плазменная пушка работала в режиме холодного плотного плазменного фокуса и эксперименты проводились без продольного магнитного поля, так как сйр » оон . При плотности ПЛазМЫ Ир > 10"^ СМ-3 и)рХгО)я .

В разделах 4.2-4.5 приведены результаты измерений параметров пучка и плазмы, а также физические процессы, возникающие при таком взаимодействии. Обнаружено, что ток пучка, измеряемый на оси системы, уменьшается как по амплитуде, так и по длительности импульса, причем это уменьшение зависит от плотности плазмы, через которую он проходил. Ь то же время

наблюдалась регистрация тока электронов кольцевым коллектором, одетым на камеры взаимодействия, причем возникновение этого тока во времени совпадало с потерями тока, регистрируемого цилиндром Шарадея. Так как угловой разброс электронов пучка ( 14 МэВ) на такой плазме не превышает величины ав - 0,2°, а наблюдаемый нами разброс достигал значения йв - 6°*-10°, то можно предположить, что наблюдаемый разброс обусловлен БЧ-по-ляыи, возбуждаемыми в результате взаимодействия РЭП с плазмой. Энергия отклоненных электронов измерялась и не превышала значения 6-8 МэВ.

О больших потерях энергии пучком свидетельствуют измеренные энергетические спектры пучков после прохождения через плотную плазму. Измерения проводились при использовании пучков, энергия которых была 2,14 и 20 МэВ. Потери энергии пучком составляли от 10-15 % при плотности плазмы пр £ 10^ см~^ до 65 % при плотности плазмы пР - 5.10^ см~^. Во всех экспериментах наблюдались электроны с энергией большей, чем первоначальная. Это увеличение составляло ^ V/ = 200-300 кэВ при энергии пучка с V/ = 2 МэВ ( £ = 2 мкс) МэВ

при энергии пучка ^ = 20 МэВ ( V = 10 мкс). Наличие ускоренных частиц свидетельствует о возбуждении в плазме интенсивных СВЧ-полей в результате коллективного взаимодействия РЭП с плазмой. Действительно, во всех экспериментах из области взаимодействия наблюдалось относительно мягкое рентгеновское излучение и СВЧ-излучение. € миллиметровом диапазоне длин волн, причем длина волны излучения уменьшалась при увеличении плотности плазмы /23/. Если принять во внимание величину энергии, приобретаемой частью электронов пучка при прохождении через область взаимодействия, то напряженность этих полей может составлять величину 50 кВ/см при энергии пучка V/ =2 МэВ и 300-400 кВ/см при энергии пучка 20 МэВ.

Наличие интенсивных СВЧ-полей в плазме должно привести к уменьшению плотности плазмы в зоне взаимодействия, вытесняемой такими полями (Захаров В.Е., ЖЭТФ, 62, 1745, 1372). Такое, уменьшение плотности плазмы в момент прохождения пучка было обнаружено с помощью лазерного интерферометра /10/. Момент понижения плотности соответствовал моменту возникновения СВЧ и рентгеновского излучения.

Кроме мягкого рентгеновского излучения из области взаимодействия, энергия которого лежала в пределах от одного до десяти кэВ в зависимости от мощности используемого пучка, наблюдалась и вторая зона рентгеновского излучения, расположенная на расстоянии 25-40 см от начала камеры взаимодействия. Энергия этого излучения менялась от 100 кэВ до нескольких ЫэВ в зависимости от мощности пучка и расстояния от начала камеры взаимодействия. Это дает основание предполагать, что это излучение обязано своим происхождением электронам пучка, потерявшим свою энергию при коллективном взаимодействии с плотной плазмой и в результате рассеивания попадающих на стенки камеры взаимодействия.

Эксперименты по исследованию нагрева плазмы проводились с использованием пучка, энергия которого была 10 МэВ. Измерения с помощью диамагнитных зондов и калиброванного калориметра показали, что на нагрев плазмы расходовалось около 65 % энергии пучка при плотности плазмы Пр - 10"^ см-3 и 35-40 % при плотности П/>~ Ю17 см"3. Некоторое уменьшение эффективности взаимодействия при росте плотности плазмы связано с тем, что, с одной стороны, диаметр плазмы при такой плотности становится сравнимым с диаметром цучка, и, с другой стороны, при такой плотности плазмы нарушается условие моноэнергетичности, исходя из параметров углового разброса и ширины энергетического спектра электронов используемого пучка.

Обсуждение полученных результатов проводится в разделе 4.6. Результаты описанных выше экспериментов показывают, что эффективность коллективных взаимодействий моноэнергетических РЭП с малой угловой расходимостью не только не уменьшаются, но и увеличиваются при возрастании плотности плазмы. 0 коллективном характере такого взаимодействия свидетельствуют большие потери энергии релятивистскими пучками, наличие локализованных в области взаимодействия СВЧ и рентгеновского излучения, а также зависимость этих эффектов от величины тока пучка, ширины функции распределения электронов пучка по энергиям и углового разброса.

В плотной плазме, используемой в экспериментах, в начале процесса взаимодействия частота столкновений велика ( кр —

Ю16 см-3,* ~ 4 эВ, У - 1,4.ЮП с-1. Поэтому в начальный момент может развиваться пучково-диссипативная неустойчивость. Условие ее развития и для наших условий ( т = 5.Ю8 см-3 и д1 = 5) '*/¥» Ю-3, а из соотношения (I) ~ 3.10-3, откуда следует, что в наших условиях возможно развитие диссипативной неустойчивости. Со временем Те. плазмы будет увеличиваться, что приведет к уменьшению частоты столкновений ( ). При этом возможно развитие бесстолкновительной пучково-плазменной неустойчивости. Например, уже при 75-15 эВ имеем

Ы ^.(Р-/О3с'

и пространственный инкремент такой неустойчивости Э°5 = (М/пр-см" возрастает с увеличением плотности плазмы как Пр,/£ , а длина релаксации- пучка в этом случае порядка нескольких сантиметров.

При энергии электронного пучка Ж = 20 МэВ ( $ ~ 40) аномально большие потери энергии пучком, ускорение части электронов пучка и возбуждение электрических полей в плазме свидетельствуют о важной -роли коллективных эффектов и в этой области энергий релятивистских электронных пучков,

В главе 5 приводятся результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимодействия модулированных РЭП с неоднородной столкновительной плазмой, образующейся при прохождении пучка через нейтральные газы различной плотности. В разделе 5.1 обсуждаются возможные механизмы образования плазмы, такие как пучково-плазменный разряд (Лебедев Н.П., Онищенко И.Н., Ткач и.В., Файнберг Я.Б., Шевченко В.И., Физика плазмы, 2, 407, 1976) или механизм пробоя нейтрального газа при бетатронных колебаниях электронов пучка в собственном поле тока (Блиох Ju.II., Физика плазмы, 2 , 285, 1986). Однако в этих исследованиях не анализировалось влияние модуляции пучка на развитие пучково-плазменного разряда в плотном нейтральном . газе. В разделах 5.2 и 5.3 приведены нелинейная теория и результаты экспериментальных исследований неустойчивости пучка в плазме при наличии следующих факторов; релятивизма пучка, глубокой модуляции пучка, диссипации возбуждаемой волны и продольной неоднородности плотности плазмы. Была рассмотрена пространственная задача инжекции в плазменное полупространство

/26,27/РЭП с релятивистским фактором Т , плотностью т , представляющему собой последовательность прямоугольных сгустков длительностью т* , следующих через период Т = 2ж/сс„ . В нашем случае размер сгустка я - 1,7 см, длина волны ускорителя Л = 10 см, то есть пучок полностью про-модулирован со скважностью Г= =6 , Плазма неоднородна по плотности , в результате чего при фиксированной часто-

те 1д=0р~юм волновой вектор /> с Л] изменяется вдоль длины взаимодействия в соответствии с дисперсионным уравнением плазменной волны 6Р(м,!сг) . Кроме того, плазма предпо-

лагалась диссипативной. Взаимодействие модулированного РЭП со столкновительной неоднородной плазмой описывалось системой уравнений в безразмерных переменных, одно из которых представляло возбуждение плазменной волны, а два других являлись самосогласованными уравнениями движения электронов пучка в поле возбуждаемой волны /26/. Эта система уравнений решалась численно на ЭВМ для области параметров, близких к экспериментальным /7=5, = 6, = 0-5, л = 0*0,2. Здесь

волны, а неоднородность плотности плазмы описывалась функцией

Результаты моделирования показали слабую зависимость скорости роста амплитуды волны с расстоянием и локализацию максимальной амплитуды от параметра диссипации Х- для модулированного пучка. Значение максимальной амплитуды уменьшается с ростом ¿С- , однако в значительно меньшей степени, чем для немодулированного пучка. Явно выраженная локализация области взаимодействия наблюдается при величинах параметра диссипации £-"1 и имеет размер . При больших

значениях & область релаксации пучка более протяженна и однородна. Энергия, теряемая пучком, при этом растет и при <зБ Ю выходит на насыщение ( = 0,57).

Результаты численного моделирования показали, что если в бездиссипативном случае = 0 ) фазовая скорость волны в среднем остается постоянной, то при ЗС.&0 по мере взаимодействия уменьшается, причем тем сильнее, чем больше ЗС- , а за-

- параметр диссипации возбуждаемой

К- к-сР<

хваченный сгусток систематически отдает энергию волне, через посредство которой энергия пучка расходуется на нагрев плазм.

Исследования влияния неоднородности плотности плазмы показали, что уже при неоднородности, соответствующей 1Л I т0,2 для немодулированного пучка неустойчивость практически срывается. Если в этих условиях ( = 2, А = -0,2) использовать модулированный лучок, то неустойчивость развивается, не "замечая" неоднородности, т.е. достигает такого же значения максимальной амплитуд! , как и в однородном случае.

Экспериментально такие исследования проводились на установке, подобной описанной в главах 3 и 4. Отличие состояло в том, что пучок с энергией 2 МэВ выводился через титановую фольгу толщиной 30 мкм в камеру взаимодействия, в которую напускался нейтральный газ в широком диапазоне давлений. Показано, что при прохождении такого пучка через нейтральный газ образовывалась плазма, плотность которой на три порядка превышала плотность пучка. На расстоянии 4-15 см от выходной фольги плотность плазмы составляла пра 5.10^ см~^, а затем ее плотность уменьшалась с расстоянием по закону Пр - 2,8.1, где j - плотность тока, £ - давление нейтрального газа (Киквидзе P.P. и др., Физика плазмы, 16, &7б , 1У84).

Модулированный РЭП эффективно взаимодействовал с этой плазмой. Об этом свидетельствуют измеренные энергетические спектры электронов пучка. Если вблизи выходной фольги ускорителя энергетический спектр близок к энергетическому спектру в вакууме, то после прохождения резонансной области (где СОм ~ tip ) наблюдалось существенное изменение спектра с. образованием группы электронов, потерявших около 25 % своей энергии. Кроме того, наблюдалось увеличение углового разброса электронов пучка на 5«-10° после прохождения этой области. Все эти эффекты наблюдались при давлении газа Р = Р*р - 6 торр и выше. Следует отметить, что приведенное значение Ptp относится к РЭП с током 1 А ( л%<=8 %), распространяющемся в воздухе. При других параметрах пучка о наличии других газов значение Рчр может изменяться.

Об эффективном взаимодействии свидетельствует также наблюдаемое из области взаимодействия мягкое рентгеновское излуче-

ние, максимум интенсивности которого расположен на расстоянии 5-10 см от выходной фольги, а также СВЧ-излучение с длинами волн 10, 3 и 0,8 см. При увеличении ширины энергетического спектра электронов пучка интенсивность рентгеновского излучения, а также СВЧ-излучений с длинами волн 10 и 3 см существенно уменьшались, а излучение с А = 8 мм исчезало совсем /27/. В разделе 5.4 проводится сравнение теоретической модели с экспериментальными данными. Из сравнения следует, что в условиях эксперимента преимущественно возбуждается ленгмюровская волна. Сравнивая значения инкремента ленгмюровской волны, полученные при машинном моделировании, с расстоянием, на котором экспериментально наблюдалась локализация возбуждаемого СВЧ и рентгеновского излучений, а также с их размерами, можно сказать об удовлетворительном согласии экспериментальных результатов с предложенной моделью диссипативного режима взаимодействия модулированного РЭП с ленгмюровской волной столкно-вительной плазмы. Дополнительным доказательством этого является измеренное экспериментально увлечение электронов плазмы, приводящее к росту полного тока (1я =1б •* 1р ), что может иметь место только при наличии СВЧ-полей неустойчивости.

Эксперименты с гидродинамическим пучком и пучком с размытой функцией электронов пучка по энергиям однозначно определяют, что эффективность релаксации цучка существенно зависит от степени моноэнергетичности цучка. Как известно (Абрамович Б.Ч., Шевченко В.И., лЭТй, 62, 1386, 1972) пучково-диссипа-тивная неустойчивость имеет место только для пучков, у которых разброс по скоростям не превышает значения, определяемого величиной инкремента й £ .

В разделе 5.5 описывается экспериментальное подтверждение

возможности использования такого взаимодействия РЭП с относи/

тельно небольшими токами для целен неравновесной плазмохи-мии в условиях больших давлений исходного газообразного вещества /28/.

Глава 6 диссертации посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию взаимодействия модулированного протонного пучка высокой энергии с плазмой, образованной им при

прохождении через нейтральный газ.-В разделе 6.1 дано описание экспериментальной установки и диагностической аппаратуры, используемой для измерения различных параметров пучка и образованной им плазмы.

В разделах 6.2 и 6.3 приведены экспериментальные результаты исследования процессов взаимодействия модулированных протонных пучков с плазмой и их сравнение с теоретическими оценками /29-31/. Эксперименты показали, что во всем диапазоне давлений нейтрального газа, при котором проводились исследования С = торр), наблюдалось уменьшение амплитуды и длительности сгустков пучка, регистрируемых Максимальное уменьшение наблюдалось при давлении/5" 2.Ю-3 торр. При повышении давления Еыше критического ( Р = Р*р ~ (6*8) .10~3торр амплитуда сгустков увеличивалась и изменялась их форма. При этом амплитуда сигнала импульса давления пучка, регистрируемая пьезодатчиком, оставалась постоянной при всех давлениях (точность измерения импульса давления +10 %).

Плотность образуемой в нейтральном газе плазмы (в качестве нейтрального газа использовался Еодород и воздух) при давлениях Р* Р*р близка к плотности пучка и время установления такой плотности Т уСТ~ мкс. При давлениях -Р плотность плазмы резко возрастает, достигая значения ПР=- (2*3).Ю^см"3 и ее ленгмюровская частота близка к частоте следования сгустков ( <*>Р -v сОм )f а время ее установления ^уст ~ * ыкс*

При давлениях ниже критического энергетические спектры протонов пучка на выходе ускорителя и в конце камеры взаимодействия практически совпадали; при давлениях выше критического магнитный анализатор регистрировал расширение энергетического спектра пучка.

Так как импульс пучка сохраняется при любых давлениях нейтрального газа, это дает основание предположить, что в данных экспериментах наблюдалась частичная токовая нейтрализация протонных сгустков плазменными электронами. Однако эта токовая нейтрализация не может быть обусловлена захватом плазменных электронов в потенциальные ямы сгустков пучка (Габович Ы.Д., Солошенко И.А., Симоненко JLC., КЗТФ, 62, 1369, 1972), так как их напряженность £тах— ——— = 50 В/см, в то время как для

захвата протонов с энергией V/ = 5 МэВ необходимы поля с напряженностью Е захв^ В/см.

Наблюдаемую частичную токовую нейтрализацию протонных сгустков можно объяснить возникновением обратного плазменного тока, индуцируемого фронтами сгустков. Инжекция пучка заряженных частиц, состоящего из отдельных сгустков, в плазму сопровождается изменением азимутального магнитного поля Вд , приводящего к появлению на фронтах сгустков электрического поля Ег . Это поле вызывает ток, противоположный индуцируемому току. В этом случае полный ток 1п. (ток, измеряемый коллектором) является суммой тока пучка II и плазменного тока 1р . Передний фронт протонного сгустка индуцирует плазменный ток, направление которого противоположно инжектируемому току (плазменные электроны двигаются в том же направлении, что и протоны пучка). Следовательно, полный ток будет уменьшаться. Поля, индуцированные задним фронтом сгустка, вызывают плазменный ток в том же направлении, что и ток" пучка (протоны пучка и плазменные электроны двигаются в противоположном направлении). Поэтому они регистрироваться коллектором не будут.

При давлениях выше критического имеет место пучково-плаз-менная неустойчивость, подобная неустойчивости на модулированном электрическом пучке. Об этом свидетельствует аномально быстрый рост плотности плазмы и размытие энергетического спектра протонов пучка. Развитие такой неустойчивости вызывает пучково-плазменный разряд (ПНР), механизм которого совпадает с описанным ранее (Лебедев П.Л. и др., Физика плазмы, 2, 407, 1976).

Действительно, плотность плазмы, создаваемая в результате парных соударений ионов пучка с плазмой и определяемая баллан-сом рождающихся частиц при неупрутих столкновениях и убывающих при свободном разлете плазмы, дается следующим выражением:

пе-А/'Р-Уб-а

' )

где /V - плотность нейтрального газа, & - сечение ионизации, Я - радиус пучка, /л' - тепловая скорость ионов плазмы. Для параметров эксперимента ( Щ а Ю^ см~^,^-10 * *Ю14 см--3, ^ = З.Ю9 см/с, £ = I см, ~ Ю8 см/с)

Лр £ Прта* - хо® что обеспечивает возможность резо-

нансного возбуждения плазменных колебаний ионным пучком, промоделированном на частоте С0М : сдр-*сОм — Znj- =» 1,5.10 I/с. Учитывая, что время образования такой плазмы ^ «=■ -ng ^ ^ "

с, а длительность импульса тока протонного пучка Т = 2.10"^с, т.е. , можно рассматривать движение основ-

ной части пучка в плазме с ftp ~ tipma* , когда возможно развитие пучково-плазменной неустойчивости с пространственным инкрементом

* - UL ( *L HL

JK \ Лp м' Vr?I ( 7 )

Для рассматриваемых нами параметров X, — 0,05 см""^, то^ есть усиление при пролете ионным пучком системы ^ = 2.10 см оказывается значительным.

Развитие пучково-плазменного разряда при В ^ Ptp и аномальный рост плотности плазмы приводит к увеличению частоты столкновений, что вызывает уменьшение обратного тока, времени его существования и, в конечном итоге, уменьшение степени нейтрализации тока протонного пучка.

В Заключении приведены основные результаты экспериментальных исследований взаимодействия модулированных моноэнергетических с малой угловой расходимостью электронных и ионных пучков большой энергии с плазмой и нейтральным газом, а также указаны области использования полученных в диссертации результатов.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Березин А.К., Файнберг Я.Б., Егоров А.М., Киселев В.А., Курилко В.И., Буц В.А., Толстолужский А.П. Взаимодействие модулированного релятивистского пучка с плазмой // ЖЭТФ. -1972. - Т. 63, вып. 3(9). - С. 861-873.

2. Березин А,К., Киселев В.А., Онищенко И.Н., Файнберг Я.Б. Коллективное взаимодействие моноэнергетических РЭП большой энергии с плазмой // Харьков, 1989. - 16 с (Препринт / АН УССР, ХФТИ.89-3).

3. Золототрубов И.М., Киселев В.А., Новиков iu.M. Исследование процессов в коаксиальном плазменном источнике // ЖГФ. -1964. - Т. 34, вып. 6. - С. 998-1006.

4. Золототрубов И.М., Киселев В.А., Новиков L.M. Распределение тока в коаксиальной плазменной пушке // ЖГФ. - 1965. -Т. 35, вып. 2. - С. 253-261.

5. Золототрубов И.М., Киселев В.А., Новиков &.М., Рыжов Н.М., Толок В.Т. Коаксиальная плазменная пушка в продольном магнитном поле // Ж>. - 1966. - Т. 36, вып. 6. - С. 10401045.

6. Киселев В.А., Линник А.Ф., Новиков ju.M. Электродинамический клапан для импульсного напуска газа // ПТЭ. - 1986. -№4. - С. 178-179.

7. Киселев В.А., Березин А.К., Беличенко Е.И. Измерение продольного градиента плотности плазмы // ПТЭ. - 141 А. - № 3. - С. 153-155.

8. Киселев В.А., Новиков ju.M., Скоблик И.П., Толстолуцкий А.Г., Золототрубов И.М. Источник плотной плазмы для экспериментов по пучково-плазменному взаимодействию // В кн.: "Источники и ускорители плазмы", Сборник статей, вып. 3, Харьков, ХАИ, IS78, с. 39-45.

9. Киселев В.А., Линник А.Ф., Усков В.В., Скоблик И.П. Особенности формирования плазменного фокуса коаксиального ускорителя // ВИНИТИ, № 5002-В 88, 1988 г.

10. Киселев В.А., Березин А.К., Шайнберг Я.Б., Никольский И.К. Взаимодействие релятивистского электронного пучка с плотной плазмой // Письма в лШе. - 1976. - Т. 2, вып. 2. -

С. 53-57.

11. Белан В.Н., Болотин Л.И., Киселев В.А., Линник А.Й., Усков В.В. Анализатор энергии протонного пучка // ПГЭ. -1988. - » 6. - С. 31-32.

12. Березин А.К., Файнберг Я.Б., Болотин Л.И., Егоров

A.М., Киселев В.А., Курилко В.И., Толстолужский А.П. Исследование взаимодействия модулированных РЭП с плазмой. - Харьков, 1971. - 10 с (Препринт / АН УССР, Х£ГИ; 71-12).

13. Березин А.К., Болотин Л.И., Егоров А.Ы., Киселев В.А., аайнберг Я.Б. Экспериментальное исследование взаимодействия модулированных релятивистских пучков с плазмой // Писька в ЖЭТФ. - 1971. - Т. 13, выг. 3 - С. 498-503.

14. Березин А.К., Березина Г.П., йайнберг Я.Б., Киселев

B.А. и др. Теоретические и экспериментальные исследования плазменных методов ускорения. - Харьков, 1972. - 32 с (Препринт / АН УССР. ХФТИ: Х$ГИ 72-7).

15. Киселев В.А., Березин А.К., Файнберг Я.Б. О коллективном взаимодействии релятивистского электронного пучка с плотной плазмой // Письма в ЮТш. - 1974. - Т. 20, вып. 9. -

C. 603-606.

16. Киселев В.А., Березин А.К., Файнберг Я.Б. Локализация рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии релятивистского пучка с плотной плазмой // Письма в ЖЭТ5. -1У75. - Т. 22, вып. 8. - С. 405-408.

17. Киселев В.А., Березин А.К., Файнберг Я.Б. Взаимодействие релятивистского электронного пучка с плотной плазмой // ЖЭТФ. - 1976. - Т. 71, вып. 1(7). - С. 193-201.

18. Киселев В.А., Березин А.К., <Сайнберг Я.Б. Взаимодействие моноэнергетического РЭП с плотной плазмой // Тр. 2-го симпоз. по коллективным методам ускорения. Дубна, 29-ое сент. - 2-ое окт., 1976. - Дубна. ОИЯИ, 1977. - С. 121-123.

19. Киселев В.А., Березин А.К., Гришаев И.А., Зейдлиц В.П., Сафронов Б.Г., Файнберг Я.Б., Фурсов Г.Я. Взаимодействие моноэнергетического РЭП с большим V с плотной плазмой // Письма в ЖГФ. - 1978. - Т. 4, вып. 12. - С. 732-736.

20. Киселев В.А., Березин А.К., Гришаев И.А., Зейдлиц В.П., Сафронов Б.Г., Файнберг Я.Б., курсов Г.П. Взаимодействие моноэнергетического РЭП с большим у с плотной плазмой. - Тр. шестого Всесоюзного совещания по ускорите-

лям заряженных частиц. Дубна, II-I3 окт. 1978. - Дубна: ОИЯИ, IS79. - Т. 2. - С. 3942.

21. Beresin А.К. , Kiselev V.A. , Fainberg Ya.В. Collective interactions of monoenergetics high energy relativistic electron beam with a dense plasma // Ibid. - Vol. 1. - P. 113-122. -Pef: 7. (1979).

22. Киселев B.A., Березин A.K., Файнберг Я.Б. Взаимодействие моноэнергетического РЭП с плотной плазмой // УШ. -1979. - Т. 24, вып. I. - С. 94-101.

23. Киселев В.А., Березин А.К., Файнберг Я.Б. Возбуждение СВЧ-излучения миллиметрового диапазона при взаимодействии моноэнергетического РЭП с плотной плазмой // Радиотехника и электроника. - 1980. - Т. 25, № 10. - С. 2258-2260.

24. Киселев В.А., Березин А.К., Файнберг Я.Б., Линник А.Ф., Усков В.В., Курилко В.И., Зыков А.И., Фурсов Г.Л. 0 нагреве плотной плазмы моноэнергетическим РЭП большой энергии // Физика плазмы. - 1987. - Т. 13, вып. II. - С. 1394-1398.

25. Березин А.К., Киселев В.А., Файнберг Я.Б., Линник А.Ф., Усков В.В., Курилко В.И., Зыков А.И., Фурсов Г.Л. 0 коллективном взаимодействии моноэнергетического РЭП ( Т = 30) с плотной плазмой // УФЖ. - 1989. - Т. 34. - № 6. - С. 881-885.

26. Березин А.К., Киселев В.А., Линник А.Ф., Онищенко И.Н., Сотников Г.В., Усков В.В. Взаимодействие модулированного РЭП с плазмой, образуемой при его прохождении через нейтральный газ. - Харьков, 1990. - 17 с. (Препринт / АН УССР, ХШ1; ХФГИ 90-40).

27. Киселев В.А., Березин А.К., Файнберг Я.Б., Зейдпиц В.П., Усков В.В. Взаимодействие релятивистского моноэнергетического электронного пучка с плазмой, образованной в атмосфере // Письма в ЖЭТФ. - 1979. - Т. 29, вып. 12. - С. 762-766.

28. Киселев В.А., Березин А.К., Зейдлиц В.П., Усков В.В. Об использовании релятивистского электронного пучка в плаз-мохимии // УФЖ. - 1984. - Т. 29. - № 3. - С. 383-386.

29. Киселев В.А., Линник А.Ф., Березин А.К., Онищенко H.H., Усков В.В. Нейтрализация тока высокоэнергетичных протонных сгустков при прохождении через газ. - Харьков, 1989. -6с (Препринт / АН УССР. Х<*/1И; ХФГИ 8S-2I).